大口径自由曲面超精密车削关键技术研究

发布时间：2023-11-28 19:16

　　在空间光学技术和民用光学技术的推动下,自由曲面光学元件,尤其是大口径自由曲面光学元件越来越多地应用到现代空间探测和民用消费领域中。鉴于大口径自由曲面在超精密加工领域中还存在刀具磨损严重、程序数据量过大、加工效率低下等问题,本论文结合慢刀伺服车削技术在自由曲面加工中的优势,研究大口径自由曲面加工过程中的科学问题以及实现满足社会发展需求的高效率、高精度自由曲面车削方法。本论文主要涉及自由曲面加工中的关键技术及其误差分析、刀具几何参数设计、车削路径规划以及车削表面纹理后续处理等关键技术环节。1.自由曲面车削关键技术及加工误差模型现代车床能够完成自由曲面车削任务得益于伺服车削技术的发展。论文首先从机床主轴单元、进给轴单元和机床控制系统等三个方面分析了现代车床伺服车削自由曲面的关键技术。然后,从车削原理、加工设备、金刚石刀具、加工工艺过程等方面分析了大口径自由曲面加工过程中的各种误差源。建立了机床导轨垂直度、刀具轮廓波纹度和刀尖圆弧半径对大口径自由曲面造成的加工面形误差数学模型;定性分析了加工工艺过程中的材料特性、装夹变形、对刀误差以及动平衡误差等因素对加工质量造成的影响,重点分析了机床主轴热变...

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 光学自由曲面定义
        1.2.2 自由曲面加工方法研究现状
    1.3 大口径自由曲面加工面临的挑战
        1.3.1 加工时间问题
        1.3.2 自由曲面数控程序及车削路径规划问题
        1.3.3 刀具磨损问题
    1.4 论文主要研究内容
第2章 自由曲面车削误差模型分析
    2.1 工件坐标系下的常见自由曲面数学模型
    2.2 慢刀伺服车削自由曲面关键技术
        2.2.1 主轴及其驱动控制单元
        2.2.2 进给轴及其驱动控制单元
        2.2.3 机床数控系统
        2.2.4 自由曲面加工能力分析
    2.3 慢刀伺服车削原理误差分析
    2.4 加工设备引入的误差分析
        2.4.1 机床几何精度
        2.4.2 机床控制系统精度
        2.4.3 主轴热变形
    2.5 金刚石刀具引入的误差分析
        2.5.1 刀具几何形状误差
        2.5.2 刀具磨损
        2.5.3 刀具热变形
    2.6 加工工艺引入的误差
        2.6.1 材料特性
        2.6.2 装夹变形
        2.6.3 对刀误差
        2.6.4 动平衡误差
    2.7 本章小结
第3章 自由曲面车削刀具几何设计
    3.1 自由曲面加工金刚石刀具设计需求
    3.2 NURBS曲线控制点反求算法
    3.3 刀具参数设计
        3.3.1 刀具圆弧包角
        3.3.2 刀尖最大允许半径
        3.3.3 计算实例
    3.4 本章小结
第4章 自由曲面车削路径规划
    4.1 自由曲面车削路径研究现状
    4.2 自适应刀具路径算法
        4.2.1 基本原理
        4.2.2 自适应刀具路径生成详细算法
    4.3 自适应路径算法理论分析
        4.3.1 计算实例
        4.3.2 自适应刀具路径运动特性分析
    4.4 实验验证
        4.4.1 实验硬件配置
        4.4.2 检测条件
        4.4.3 实验结果与讨论
    4.5 本章小结
第5章 自由曲面表面车削纹理处理
    5.1 色散现象及原因
        5.1.1 车削原理固有因素
        5.1.2 刀具磨损
        5.1.3 刀具表面的“积屑瘤”
    5.2 车削纹理去除工艺实验
        5.2.1 研究现状及技术方案
        5.2.2 工艺试验
        5.2.3 结果与讨论
    5.3 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果



本文编号：3868776